2017 Fiscal Year Annual Research Report
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16H04022
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
大井 修一 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (10354292)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 高温超伝導 / 渦糸 / メゾスコピック |
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| Outline of Annual Research Achievements |
銅酸化物系高温超伝導体中の量子渦糸状態は、大きな熱揺らぎと異方性のために、従来超伝導体と異なる独特の相状態や相転移（固体液体転移、グラス転移など）を持つことが知られている。このような渦糸状態が、微小単結晶中に閉じ込めた場合どのような変更を受けるか調べるため、平成29年度は、試料の面内方向サイズ（数μm ～ サブμm）だけでなく、形状（正三角形、正方形、正五角形、正六角形や単一孔構造など）を制御した、良質微小単結晶試料を集束イオンビーム装置を用いた両面加工プロセスにより準備し、固有ジョセフソン接合特性、特にｃ軸抵抗の磁場温度依存性の測定を通して、渦糸状態を探った。高温超伝導マグネットシステムが冷凍機のメンテナンスにより稼働時間が限られたため、別途水冷銅マグネットを作製し、これまで300ガウス以下であった磁場範囲を2倍以上に拡張して実験にあたった。
結果として、様々な形状試料において、数μmまで微小化された試料では、単一渦糸の逐次侵入を観察でき、有限要素法を用いたシミュレーションと比較した結果、各々の形状に対応した特徴的な渦糸数において、幾何学的な2次元マッチングが起こることが分かった。例えば、正三角形試料での特徴的渦糸数は、いわゆる三角数（1,3,6,10、.. i(i+1)/2）であり、正方形では平方数、正六角形では独特の法則性が見出された。
また、単一孔を導入した微小試料においては、実効的な孔の面積に対応する磁気抵抗振動が高温側（デピニング温度～Tc）において観察され、SQUIDデバイスと類似の応答を示すことが分かった。さらに超伝導転移温度近傍では、この振動はLittle-Parks振動と酷似していた。単一ループ中に二つのジョセフソン接合をもつDC-SQUID構造でなくとも、より単純な単一孔微小固有接合を用いて、SQUID類似デバイスを作製できる可能性がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
試料作製に関しては、サブミクロンまで微小化した試料を安定して作製できるようになり、多角形試料や単一孔をもつ試料など、サイズだけでなく形状を変えた試料において測定を実施できた。また、マイクロ波照射（20GHzまで）実験に関しては、パンケーキ渦糸侵入に誘起されたジョセフソン渦糸フロー状態での測定を実施できた。ただ、昨年度導入した、高温超伝導マグネット付き冷凍機冷却低温測定装置に関して、その後の冷凍機メンテナンスや故障により、予定していた1～2kG付近の磁場までの測定が遅延している。現在、別途水冷銅マグネットを作製し、磁場範囲を拡大した実験を進めているが、全体としての進捗は、やや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
微細加工後の試料クオリティーは、明瞭な融解転移を観察する上で非常に重要であり、主要課題として、継続してFIBを用いた両面加工法による純良な固有ジョセフソン接合作製に取り組む。これまでの実験において、作製した試料の端子間が何らかの要因により短絡してしまう問題が頻発しており、端子の形状や引き出し方、ポストミリング処理などの解決策を試みる。また、逆に短絡を意図的に発生させることで、ヒステリシスのないIV特性を実現しSQUID動作が可能か調べる。
前々年度に導入した高温超伝導マグネット付冷凍機冷却低温測定装置の長時間稼働に向けて、電流リード冷却方法の改善、冷凍機メンテナンス、停電などトラブルが発生した場合の安全対策が一通り完了した。現在冷凍機が故障中であるが、修理完了後には、0.1-0.2テスラ以下で広範囲な温度領域にわたり、特に、低温側の秩序無秩序転移のサイズ依存性に注目し、微小Bi2212中の渦糸状態の全容を明らかにする。
抵抗測定と併せて、GaAs/AlGaAs2次元電子ガス基板を用いた微小ホール素子を用いて数ミクロンサイズのBi2212単結晶の磁化測定を試みる他、様々な形状やサイズの試料中の渦糸配置に関して、有限要素法によるシミュレーションや分子動力学法によるシミュレーションを利用して、実験結果の解析を進める。さらに、c軸方向への磁場印加により誘起されたジョセフソン渦糸フロー状態でのマイクロ波照射効果を調べ、マイクロ波による渦糸ダイナミクス制御の可能性を探る。
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